基于辛结构的弹性波场模拟

来源 :桂林理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:zhangxinyao1121
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为了解决在长时程和复杂结构的弹性波场数值模拟时的数值频散问题,现在辛几何算法的基础上,结合褶积微分算子、通量校正传输(FCT)、完全匹配层(PML)等数值模拟技术,寻找一种更好的波场模拟解决方案。  弹性波场模拟是地震学研究中的重要手段之一,使用传统直接求解析解的方法来研究复杂多变的地下介质中的地震波场几乎是行不通的,而得益于计算机和数值模拟技术的迅速发展,现在往往通过数值手段来模拟地震波场的弹性波传播,研究其波场特性。传统的数值模拟方法有各自的适应条件同时又有其局限性,特别是在对网格进行离散化时,不具备保结构的性质,而这会破坏波动方程及解的结构,造成数值解偏离精确解。数值模拟中所使用的算法应当尽可能的保持系统本身的性质,特别是在利用弹性波场模拟进行较大尺度的区域研究时,这就需要数值算法的效率更高和保持长时程稳定模拟的能力。  辛几何算法作为一种保结构的算法在这样的背景下被提了出来的,其要求在对方程进行操作时必须是保结构的,这就保持了系统的能量守恒,即可在实行有限的离散近似的操作时,把数值解的误差控制在一定范围以内,从而以此来提高解的可信度。  褶积微分算子与交错网格有限差分算子相比精度更高,因为其突出了空间微分的局部属性,弥补了高阶交错网格算子对复杂介质的描述不足,且可以通过加窗处理,取不同的窗系数来灵活控制算子的衰减速度,所以弹性波动方程的空间离散使用褶积微分算子是十分有效的。  通量校正传输(FCT)的方法最初是在求解连续性方程的过程中,流体动力学的方法,该方法基于通量守恒守恒差分格式的接口要求,对流入和流出的两侧流量守恒,是一种正值性可以得到保持的差分构造技术,可以运用于很多常见的高阶差分格式求解过程,限制由数值模拟的离散计算过程产生的非物理性极值点。  本文主要通过合理应用以上各种数值技术,来对地震波场特征进行更精确的数值模拟。除此之外,在处理吸收边界时应用一种公认有效的PML方法,该边界将人工边界造成的虚假反射信息依指数迅速衰减为零,适用任意入射角度、任意频率的入射波。最后为了提高计算效率,在程序里将加入并行计算技术,节约时间成本。
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